爬壁机器人调研报告

爬壁机器人调研报告

爬壁机器人是一种将地面移动机器人与吸附技术有机结合起来的机器人，其可代替人工在极限条件下完成危险的作业任务。

一、原理

爬壁机器人必须具备两个基本功能：壁面吸附功能和壁面移动功能[1]。

吸附功能的实现依赖于吸附装置及其控制系统。其在垂直墙面方向产生吸附力，进而得到一个平行墙面向上的摩擦力，以抵消机器人自身重力，实现机器人吸附于墙面。

移动功能的实现依赖于爬壁机构及其控制系统。当爬壁机构与吸附装置耦合时，机器人必须先通过控制系统撤除部分吸附力，然后由爬壁机构的机构运动实现移动或者转向。若爬壁机构与吸附装置分离，则移动和转向功能不需要考虑吸附部分，可直接通过控制系统驱动爬壁机构实现。

另外，爬壁机器人根据其作业任务需要，除了吸附装置和爬壁机构外，一般还应含有特定的作业系统。

二、类型

根据吸附方式的不同，爬壁机器人可以分为：负压（真空）吸附爬壁机器人，磁吸附爬壁机器人，螺旋桨推压吸附爬壁机器人，机械联锁吸附爬壁机器人，静电吸附爬壁机器人，仿生吸附爬壁机器人等等[2][3][4]。

负压吸附和磁吸附两种吸附方式是传统的爬壁机器人的吸附方式，后面又陆续发展出其他多种吸附方式。负压吸附方式抽离吸附薄膜与壁面间隙空气，以大气压力产生吸附力，但是其受壁面粗糙度影响，当壁面不光整时，有漏气现象，吸附力相对较小。并且由于其作用力产生来源为大气压力，故而于真空环境中不能吸附。磁吸附方式又分为电磁体式和永磁体式两种。电磁体式爬壁机器人维持吸附力需要电力，但控制较为方便；永磁体式爬壁机器人不受断电的影响，使用中安全可靠[5]。磁吸附方式产生的吸附力大，不受壁面粗糙度影响，但受限于壁面材料必须为导磁性材料，故而应用范围受到限制。其他吸附方式，如螺旋桨推压吸附方式主要通过螺旋桨高速转动产生推力，其噪音较大；机械联锁方式利用机械装置对壁面的抓持产生吸附，不适用于光滑表面，但在合适环境下，其抓持力大，负载能力强；静电吸附方式通过对导电电极施加高压静电，极化壁面，进而产生电场力实现吸附，但其产生的吸附力小，故而其实现条件严格，要求机器人自重小、负载小，重心贴近壁面，吸附膜与壁面紧密接触等[6]；仿生吸附方式主要模仿动物吸附于墙壁的方式，如仿壁虎的干吸附方式，通过特殊材料与壁面间的范德华力（分子力）实现吸附，如仿蜗牛的湿吸附方式，通过液体薄膜张力实现吸附等等[3]。

另外，根据爬行机构的不同，爬壁机器人又可以分为：车轮式爬壁机器人，步行式爬壁机器人，履带式爬壁机器人[4]。

车轮式爬壁机器人控制简单，爬壁机构与吸附装置分离，独立驱动，但其越障能力受限，对壁面光整度要求较高；步行式爬壁机器人利用多吸盘吸附于壁面，爬行时先交替撤离部分吸盘吸附力，才能进行移动或者转向、越障，其爬壁机构与吸附装置耦合，控制较为复杂；履带式爬壁机器人与壁面接触面积较大，在部分吸附方式中可有效增大吸附力，并且其在凹凸表面爬行时适应力较强，但是转向比较困难。

三、关键技术

（1）吸附方式

传统的爬壁机器人吸附方式主要有负压吸附和磁吸附两种，近来发展，又出现了螺旋桨推压吸附、静电吸附、机械抓持、干吸附、湿吸附等等多种方式，例如，近来人们通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理，研制出了高分子合成的粘性材料，实现强有力的吸附，但是该材料的寿命有限，难以实用化[7]。然而，对于每种吸附方式都存在局限性，其应用范围相对局限，不能做到通用。后来也出现了将多种吸附方式混合使用的爬壁机器人，用于应对更多的环境要求。笔者认为，未来的爬壁机器人吸附方式应当能够适应各种环境因素，做到通用化。而仿生吸附这一方向需要更加完善，将仿生吸附的爬壁机器人运用到工业上来。

而无论吸附方式如何选择，最重要一点是需要保障吸附力的稳定可靠，设计防脱落设施或者脱落保护措施。

（2）爬壁机构及其控制系统

机器人爬壁机构及其控制系统用于完成移动、转向和越障等功能，主要有轮式、足式和履带式三种。对于轮式爬壁机构，其一般独立于吸附装置，也即爬壁机构与吸附装置分离。其控制系统独立操作，控制方式较为简单。轮式爬壁机构一般各轮独立驱动，以便于实现同轴轮差速转向。但是，轮式爬壁机构的越障能力略显不足。而足式爬壁机构一般与吸附装置耦合，常见的有多吸盘足式，其控制系统较为复杂，在实现爬行前，需要交替撤除部分吸附力。但是，其越障能力较强。履带式爬壁机构由于其与壁面接触面积大的优点，可以方便增大吸附力的设计。其吸附装置一般与履带耦合设计。

（3）动力源与驱动方式

爬壁机器人的动力来源一般由电力或者燃料提供，故而其设计上需考虑电路或者气体管路布置以及动力源的负载大小。一般而言，燃料具有较高的能重比，在负载要求严格的情况下，可优先考虑。另外，吸附装置的驱动方式和爬壁机构的驱动方式也应当围绕功能的实现来设计。

四、国内外研究现状与应用状况

爬壁机器人的研制最早于日本开始。1966年日本大阪府立大学工学部的西亮教授成功研制出第一个垂直壁面机器人样机，其利用风扇进气侧的低压作为吸附力[7]。1975年，他又采用单吸盘结构研制出第二代爬壁机器人样机[7]。后来爬壁机器人慢慢地在全球范围都开展了研究，出现了单吸盘爬壁机器人、多吸盘爬壁机器人以及磁吸附爬壁机器人，例如，1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制的壁面和窗户清洁机器人（采用单吸盘吸附方式），20世纪90年代初，英国朴茨茅斯工艺学校研究出一种多足行走式爬壁机器人（采用多吸盘吸附方式），1990年以来，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所研制出了一种六足式爬壁机器人（采用磁吸附方式）[7]。负压（真空）吸附和磁吸附也成为了传统普遍使用的两种吸附方式。

而国内在“863”计划的支持下，由哈尔滨工业大学最先开展了爬壁机器人的研究工作，其先后研制成功采用磁吸附和负压（真空）吸附两个系列五种型号的爬壁机器人。同时，在上海大学、北京航空航天大学、上海交通大学等高校也研制出了多个爬壁机器人成果。

近来，爬壁机器人又出现了异于传统的其他吸附方式。例如华南理工大学王黎明等人研制的基于静电吸附的双履带爬壁机器人[6]，同济大学黎明和等人对湿吸附机理的研究[3]，近来对于壁虎等爬行动物的研究，进而制作出的具有强吸附力的高分子合成材料。

爬壁机器人的应用范围较广，目前主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等[7]。其主要代替人工进行极限作业，列如进行高楼的壁面和窗户的清洗作业，进行桥梁表面裂纹的探测作业，进行反恐侦查活动，进行船体内外壁面的喷涂工作等等。